北京

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》中指出，“科學(xué)思維”是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。科學(xué)思維是能夠基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創(chuàng)造性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題。因此學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)和提升是在學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步進(jìn)行的。高一年級(jí)學(xué)生具備一定的探究能力，了解了科學(xué)探究的基本步驟和對(duì)照實(shí)驗(yàn)的基本原則，但是在科學(xué)探究過(guò)程中基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)的推理能力亟待提升。在人教版新教材第5 章第4 節(jié)“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”中，由于光合作用較復(fù)雜，既有物質(zhì)的變化又有能量的轉(zhuǎn)化，物質(zhì)和能量變化既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，面對(duì)重難點(diǎn)內(nèi)容大部分學(xué)生具有一定的畏難情緒。因此筆者嘗試為學(xué)生提供相關(guān)資料，采用切塊拼接的合作學(xué)習(xí)方法，以問(wèn)題任務(wù)作為驅(qū)動(dòng)，逐步引導(dǎo)學(xué)生探究光反應(yīng)的過(guò)程，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

一、教材分析及設(shè)計(jì)思路

“光反應(yīng)的過(guò)程”位于人教版新教材必修1《分子與細(xì)胞》模塊第5 章第4 節(jié)“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”。細(xì)胞作為基本的生命系統(tǒng)，需要與外界進(jìn)行物質(zhì)交換，也需要不斷從外界獲取能量。細(xì)胞活動(dòng)的直接能源物質(zhì)是ATP，但是細(xì)胞能量供應(yīng)的最終源頭是太陽(yáng)。植物通過(guò)光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)都具有重要的意義。教材中將“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”內(nèi)容分為兩個(gè)小節(jié)，第一節(jié)是“捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)”，第二節(jié)是“光合作用的原理和應(yīng)用”，“光反應(yīng)的過(guò)程”屬于第二小節(jié)。對(duì)于光反應(yīng)的過(guò)程，教材中提供了“甲醛說(shuō)”“希爾的實(shí)驗(yàn)”“魯賓和卡門(mén)的實(shí)驗(yàn)”和“阿爾農(nóng)的實(shí)驗(yàn)”幾個(gè)關(guān)鍵資料，并通過(guò)文字闡述，最終呈現(xiàn)了光反應(yīng)的過(guò)程。

對(duì)于光反應(yīng)過(guò)程的探究離不開(kāi)多位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)，后人的實(shí)驗(yàn)是對(duì)前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果的延續(xù)，同時(shí)由于技術(shù)手段的進(jìn)步，光合作用的原理逐漸被人們探究清晰。因此利用這些實(shí)驗(yàn)資料作為學(xué)習(xí)材料，進(jìn)一步幫助學(xué)生養(yǎng)成分析、歸納、總結(jié)、概括的科學(xué)思維習(xí)慣。

本節(jié)課充分利用四組與探究光反應(yīng)過(guò)程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)資料，以學(xué)生為主體，以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，采用切塊拼接法的合作學(xué)習(xí)方式，通過(guò)探究資料間的內(nèi)在聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生逐步探索、建構(gòu)光反應(yīng)過(guò)程的模型，明確光反應(yīng)過(guò)程的物質(zhì)和能量變化。

二、教學(xué)過(guò)程

2.1 圖片導(dǎo)入、回憶舊知

教師展示《自然》雜志封面發(fā)表的我國(guó)科學(xué)家的成果——“菠菜主要捕光復(fù)合物（LHC-Ⅱ）”晶體結(jié)構(gòu)照片，并簡(jiǎn)介“菠菜主要捕光復(fù)合物（LHC-Ⅱ）”與植物光合作用的聯(lián)系及我國(guó)科學(xué)家在相關(guān)研究領(lǐng)域的突出成就，引導(dǎo)學(xué)生回憶光合作用的產(chǎn)物、原料、場(chǎng)所、條件以及光合作用的表達(dá)式。

設(shè)計(jì)意圖：利用與光合作用相關(guān)的科學(xué)進(jìn)展吸引學(xué)生注意，引導(dǎo)學(xué)生回憶初中已經(jīng)學(xué)過(guò)的與光合作用相關(guān)的知識(shí)，并且復(fù)雜的“主要捕光復(fù)合物”也幫助學(xué)生意識(shí)到光合作用的過(guò)程比在初中學(xué)過(guò)的知識(shí)要復(fù)雜，對(duì)深入探究光合作用的過(guò)程產(chǎn)生興趣。同時(shí)因?yàn)樵摮删褪俏覈?guó)科學(xué)家取得的，在體會(huì)科研艱辛的同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感。

2.2 引導(dǎo)設(shè)問(wèn)，明確課題

教師介紹：據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球綠色植物等生物體每年通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為22 000 億噸生物能源，相當(dāng)于全球每年耗能的十倍。因此有效利用光合作用產(chǎn)生的生物能源將會(huì)在生產(chǎn)生活中創(chuàng)造價(jià)值。而“菠菜主要捕光復(fù)合物”是植物“高光效”（高效利用光能）研究的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，對(duì)能源的利用和新能源的開(kāi)發(fā)均具有重要意義。引導(dǎo)學(xué)生思考光合作用具體是怎樣的過(guò)程，由此明確兩個(gè)核心問(wèn)題：水和二氧化碳如何轉(zhuǎn)化成有機(jī)物和氧氣；葉綠體在將光能轉(zhuǎn)化為糖類中的化學(xué)能的過(guò)程中是什么結(jié)構(gòu)在發(fā)揮作用。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)具體的數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)同在生產(chǎn)生活中利用好光合作用的前提是明確光合作用的原理，明確本節(jié)課探究的兩個(gè)重要問(wèn)題，產(chǎn)生探索興趣。

2.3 組織引導(dǎo)、發(fā)布任務(wù)

教師將準(zhǔn)備好的學(xué)習(xí)資料分發(fā)給學(xué)生，四組資料分別為第一組：希爾反應(yīng)；第二組：探究希爾反應(yīng)場(chǎng)所的實(shí)驗(yàn)；第三組：硫細(xì)菌的光合作用原料與產(chǎn)物；魯賓和卡門(mén)的實(shí)驗(yàn)方法；第四組：類囊體膜上的電子傳遞示意圖。

教師簡(jiǎn)介切塊拼接的合作學(xué)習(xí)方法，將全班40 名同學(xué)分為8 個(gè)合作小組，每個(gè)小組的5 名同學(xué)分別負(fù)責(zé)一個(gè)資料，稱為該資料的專家。整個(gè)活動(dòng)分為四個(gè)階段：

第一階段：切塊活動(dòng)。各位“專家”獨(dú)立探究材料。

第二階段：專家小組活動(dòng)。每個(gè)小組研究同一個(gè)資料的同學(xué)形成一個(gè)“專家小組”，各“專家小組”針對(duì)于資料中的問(wèn)題進(jìn)行討論交流。

第三階段：拼接活動(dòng)。每組的“專家”回到原來(lái)的小組，按照資料的順序進(jìn)行分享交流，再結(jié)合思考問(wèn)題進(jìn)行交流討論。

第四階段：檢驗(yàn)效果。教師結(jié)合各資料中的問(wèn)題，形成每個(gè)資料的問(wèn)題串，請(qǐng)小組同學(xué)進(jìn)行匯報(bào)，檢驗(yàn)每個(gè)小組的學(xué)習(xí)效果。

設(shè)計(jì)意圖：采用切塊活動(dòng)，將材料分割，提高了學(xué)生閱讀資料的效率，并且資料的難易程度不同，每個(gè)同學(xué)都能參與思考，同時(shí)各個(gè)“專家”的討論可以再次激發(fā)個(gè)人的思考，加深對(duì)資料的理解；在拼接活動(dòng)過(guò)程中，每個(gè)資料的負(fù)責(zé)同學(xué)向同組同學(xué)分享資料信息，分享結(jié)束后，每個(gè)小組都實(shí)現(xiàn)了各資料的拼接，每位同學(xué)都了解到了5 個(gè)信息的主要內(nèi)容，并對(duì)相關(guān)思考形成了答案。

2.4 檢驗(yàn)效果、探究原理

本階段，教師請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)，對(duì)于第一組資料，學(xué)生需匯報(bào)如下問(wèn)題：（1）離體的葉綠體在光照、有水、無(wú)二氧化碳的條件下會(huì)生成光合作用的哪種產(chǎn)物？（2）生成氧氣的反應(yīng)具體發(fā)生在什么場(chǎng)所？（3）Fe3+在NADPH 的作用下被還原為Fe2+，說(shuō)明NADPH 有什么性質(zhì)？（4）光合作用中氧氣的產(chǎn)生與糖的產(chǎn)生是不是同一個(gè)反應(yīng)？

學(xué)生匯報(bào)答案后，教師講解，實(shí)際上光合作用十分復(fù)雜，包括一系列化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)是否需要光，可將光合作用分為發(fā)生在類囊體薄膜的光反應(yīng)階段和發(fā)生在葉綠基質(zhì)的暗反應(yīng)階段。同時(shí)教師提出問(wèn)題：光合作用的最終產(chǎn)物氧氣中的氧元素全部來(lái)自于水嗎？

設(shè)計(jì)意圖：利用希爾反應(yīng)的資料，引導(dǎo)學(xué)生整體認(rèn)識(shí)光合作用是分階段進(jìn)行的，并引導(dǎo)學(xué)生思考氧氣中的氧元素的來(lái)源以及類囊體上相關(guān)反應(yīng)，激發(fā)學(xué)生的探索興趣。

對(duì)于第二組資料，學(xué)生需匯報(bào)如下問(wèn)題：（1）硫細(xì)菌光合作用的產(chǎn)物S 來(lái)源于哪種物質(zhì)？（2）你對(duì)于植物光合作用產(chǎn)生的氧氣中的氧元素來(lái)源有什么推測(cè)？（3）用什么科學(xué)方法對(duì)氧元素的來(lái)源進(jìn)行追蹤？（4）利用同位素標(biāo)記法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇哪種元素的同位素？利用該種同位素標(biāo)記哪些物質(zhì)呢？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)硫細(xì)菌和綠色植物光合作用的原料與產(chǎn)物進(jìn)行比較，學(xué)生可以類比分析，猜測(cè)綠色植物光合作用氧氣中氧元素的來(lái)源，學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，意識(shí)到科學(xué)探究要基于邏輯和實(shí)驗(yàn)證據(jù)，為分析魯賓和卡門(mén)的實(shí)驗(yàn)做鋪墊。

教師展示魯賓和卡門(mén)的實(shí)驗(yàn)示意圖，并提問(wèn)：該實(shí)驗(yàn)的自變量和因變量是什么？學(xué)生基于對(duì)魯賓和卡門(mén)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡姆治?，明確自變量和因變量，并完成實(shí)驗(yàn)記錄表。教師繼續(xù)提問(wèn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果有幾種情況？學(xué)生根據(jù)理解，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。最后教師展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論：氧氣中的氧元素來(lái)自于水。

設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)生提出利用同位素標(biāo)記法追蹤氧元素后，教師展示魯賓和卡門(mén)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒆宰兞亢鸵蜃兞康姆治?，幫助學(xué)生體會(huì)科學(xué)探究中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想和原則，并通過(guò)此實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解科學(xué)研究是基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行的，最終明確氧氣中氧元素的來(lái)源。

教師引導(dǎo)過(guò)渡：水產(chǎn)生的同時(shí)，會(huì)不會(huì)有其他的物質(zhì)和能量的變化呢？對(duì)于第三組資料，學(xué)生將對(duì)如下問(wèn)題進(jìn)行匯報(bào)：（1）根據(jù)阿爾農(nóng)的實(shí)驗(yàn)，水光解產(chǎn)生氧氣的過(guò)程中伴隨哪些物質(zhì)產(chǎn)生？（2）NADP+反應(yīng)生成NADPH 需要的H+，可能來(lái)自于哪里？（3）ADP 和Pi 形成ATP 過(guò)程需要能量，在光合作用中推測(cè)這部分能量歸根結(jié)底來(lái)自于哪里？學(xué)生經(jīng)過(guò)匯報(bào)后，初步明確光反應(yīng)中ATP 和NADPH 的產(chǎn)生過(guò)程。

設(shè)計(jì)意圖：聯(lián)系希爾反應(yīng)資料，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行推理、歸納，探究出H+的來(lái)源，從光合作用產(chǎn)生氧氣的宏觀表現(xiàn)出發(fā)，逐步探索光反應(yīng)氧氣產(chǎn)生過(guò)程中伴隨的其他變化。

教師引導(dǎo)：水光解產(chǎn)生氧氣和H+，觀察思考還應(yīng)該有什么變化才能讓水的光解反應(yīng)平衡？學(xué)生通過(guò)觀察和思考可以明確還要有電子產(chǎn)生。教師展示葉綠體結(jié)構(gòu)、類囊體結(jié)構(gòu)及類囊體上的電子傳遞示意圖（如圖，見(jiàn)下頁(yè)），并展示問(wèn)題：（1）在植物體內(nèi)吸收光能的色素位于什么部位？（2）色素吸收光能后發(fā)生了什么反應(yīng)？以此引導(dǎo)學(xué)生回憶葉綠體的結(jié)構(gòu)并展示類囊體膜上的電子傳遞過(guò)程。教師繼續(xù)展示問(wèn)題：（3）上述過(guò)程中的最終電子受體是哪種物質(zhì)？（4）綜合對(duì)光反應(yīng)的全部分析，在類囊體上發(fā)生了哪些物質(zhì)變化？吸收的光能最終轉(zhuǎn)化成了什么形式的能量？

類囊體上的電子傳遞示意圖

設(shè)計(jì)意圖：將葉綠素離體和未離體情況對(duì)比分析，幫助學(xué)生理解類囊體上具有電子傳遞體系，最終明確NADPH 和ATP 的產(chǎn)生過(guò)程，完成對(duì)光合作用的光反應(yīng)階段的物質(zhì)和能量變化的探索。

2.5 總結(jié)

教師展示光合作用科學(xué)史圖片及科學(xué)進(jìn)展圖片。

設(shè)計(jì)意圖：幫助學(xué)生了解光合作用的研究歷程，認(rèn)同對(duì)光合作用的認(rèn)識(shí)過(guò)程是逐步發(fā)展的，感受合作探究的高效性，認(rèn)同科學(xué)研究離不開(kāi)個(gè)人的努力和共同的合作。

三、教學(xué)反思

科學(xué)思維的表現(xiàn)形式是科學(xué)思維方法，即認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)及事物間關(guān)系需要一定的方法才能得出正確的結(jié)論。本節(jié)課，利用光合作用的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)資料，采用切塊拼接法，通過(guò)獨(dú)立學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式來(lái)完成光反應(yīng)過(guò)程的探究。通過(guò)四個(gè)階段的學(xué)生活動(dòng)，充分發(fā)揮學(xué)生的自主探究意識(shí)，建立各資料間的聯(lián)系，在短時(shí)間內(nèi)較高效率地利用教師所設(shè)置的由淺及深的問(wèn)題串進(jìn)行思考、歸納、推理并進(jìn)行總結(jié)，最終完成光反應(yīng)過(guò)程的探究。整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程將學(xué)生的探究視角從光合作用的宏觀現(xiàn)象逐步深入到微觀原理，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維方法的同時(shí)也向?qū)W生滲透了物質(zhì)與能量觀。

但是在教學(xué)過(guò)程中筆者也發(fā)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)有待優(yōu)化之處，如組織學(xué)生進(jìn)行切塊拼接活動(dòng)時(shí)每階段的時(shí)間安排、小組討論的效率以及信息衰減等問(wèn)題。因此需要教師對(duì)所提供的學(xué)習(xí)材料進(jìn)行精心選擇與組織，設(shè)置邏輯連貫的討論問(wèn)題，同時(shí)也需要教師對(duì)學(xué)生的活動(dòng)及回答進(jìn)行及時(shí)的反饋，及時(shí)做出引導(dǎo)。